USB Type-C 消除了傳統 Type-A 和 Type-B 插頭的限制，并為 USB 和其他協議帶來了一系列好處。例如，USB Power Delivery 2.0 和 USB 備用模式使 USB Type-C 能夠取代顯示器、電源和其他獨特的電纜。不久之后，USB Type-C 可能成為電子設備唯一可用的標準連接器。

從設計的角度來看，這意味著什么？設計人員將需要知道如何滿足新興規范，并解決供電和驗證問題。所涉及的挑戰可能很大，但可以通過正確的設計技術進行管理。

一根電纜，多種功能

從 2015 年開始，USB Type-C 取代了所有 USB 連接器。在不久的將來，人們可能會使用一種主要類型的電纜為所有電子設備供電和充電，并將它們連接到顯示器、音響系統、打印機和其他外圍設備。USB Type-C、USB Power Delivery 2.0 和 USB 備用模式使這種統一且無處不在的功能成為可能。

USB Type-C 具有幾個關鍵特性：

支持雙向插入的可逆插頭；換句話說，主機和設備連接器是相同的

支持更高的數據速率，USB Type-C 3.1 Gen2 高達 10 Gbps

通過支持 USB Power Delivery 2.0 規范，提高功率，最高可達 100 W

提供雙向性，以便設備可以提供和消耗電力

支持可擴展的電源充電，這意味著功耗可以根據應用程序的需要動態變化

最終可以使用 USB 備用模式替換所有其他連接器

到目前為止，DisplayPort、MHL 和 PCI Express 規范都支持 USB 備用模式。這些模式還包括通過音頻附件、智能手機功能擴展（未壓縮視頻接口和高速雙向數據）和擴展塢應用程序（充電）的數字音頻。更多的規格肯定會隨之而來。雖然這種變化對消費者來說是個好消息，但從設計和驗證的角度來看，它確實帶來了一些挑戰。

USB Type-C 設計要求和挑戰

USB Type-C 具有特定的設計要求（圖 1）：

配置通道 （CC） 引腳上的上拉、下拉電阻

在 VCONN 提供供應的能力

連接和標記電纜檢測、冷插座和 VCONN 控制電路

為 CC 引腳提供 VCONN/Rp 的開關（面向下游的端口 （DFP））

控制關閉/打開 VBUS 的電源

切換將 SS_TX/SS_RX 連接到 TX1/RX1 或 TX2/RX2

圖 1： USB Type-C 功能模型。

每個 USB 規范——Type-C 連接器和電纜、Power Delivery 2.0 和備用模式——都可以單獨實施；然而，當結合使用這些互補的規范時，設計師將獲得更多的價值。因此，設計人員可以為 USB Type-C 開發單芯片解決方案。它們還可以匯集多種協議；例如，一個設計可以為 USB 和 DisplayPort 規范實現一個通用的 SERDES。并且，同一控制器/堆棧下可以支持 Power Delivery 2.0 和備用模式。由于所有這些新的和不同的部分及其復雜的依賴關系，系統驗證可能是一個巨大的挑戰。需要考慮新級別的集成層次結構，包括系統接口的對齊和集成，

從 PHY 設計的角度來看，也存在挑戰。采用不同的協議——包括即將到來的協議——需要一定程度的靈活性。然而，設計人員可能用于解決相關挑戰的設計技術可能會使驗證更加復雜。遵守多種協議需要支持大電氣規范范圍的 PHY，尤其是在均衡方面，如 CTLE 或 DFE。這反過來又要求優化單個設計以提高面積和性能效率，例如通過單個模擬 PHY。

采用更小的工藝來獲得數字優勢對設計可以使用的電源電壓類型以及可用于滿足電氣要求的設備類型提出了嚴格的限制。例如，在 28 nm 及以下節點，標準 SoC 或 IP 供應商僅選擇低于 1 V 的內核設備和 1.8 VI/O 設備以具有競爭力。因此，在現有裸片中支持 3 V 及以上電壓成為一大瓶頸，除非使用多 vt 和昂貴的附加掩模組。最大限度地降低成本并支持此類平臺需要許多電路技術來規避與電氣過應力相關的可靠性問題。

除了這些設計挑戰之外，驗證也更加復雜。通過改進的測試用例和更好的 DFT 方案，可以提高覆蓋率。然而，在查看多協議選項時，驗證周期會減少，而不是一次考慮單個協議。

在這里，先進工藝方面的經驗會有所幫助，特別是如果設計人員已經處理過較低的電源電壓、較小設備的功耗和互連中的寄生 RC。除了技術方面的考慮之外，任何設計項目都存在通常的成本和上市時間壓力。

預先驗證的 IP 如何提供幫助

克服這些設計和驗證挑戰需要什么？預先驗證的 IP 確實不會出錯，這有助于簡化設計工作并縮短周期。以下特性和功能在 USB Type-C 的 IP 中最有用。

首先，設計應集成 Type-C 連接器和電纜規范所需的所有功能，即 CC 邏輯，以及可選的多路復用器，以實現 Type-C 連接器帶來的所有好處，例如雙向性電纜、連接器翻轉和簡化的 DFP/UFP 角色識別。

要為設計帶來靈活性，請尋求能夠支持 USB、DisplayPort 以及任何其他現有和新興協議的單一 PHY。多通道支持的額外好處將允許最大的設計靈活性，同時也減輕庫存管理的復雜性。要解決跨功能、軟件和電氣規范的多個標準，請尋找已經集成并符合相關規范的子系統 IP，以確保兼容性。

電源管理是 USB Type-C IP 的另一個關鍵考慮因素。對于此類設計，IP 必須能夠處理各種功率，并能夠與高達 100 W 的外部電源管理 IC 和高達 15 W 的 3 A over 5 V 的內部電源管理 IC 通信，如USB Type-C 電纜和連接器規范的中電流和高電流模式。

為什么 IP 子系統方法是一個好主意

如果沒有必要，為什么要使用單個組件？選擇這條路線意味著要花時間確保組件經過驗證并且可以很好地協同工作。相反，設計人員可以通過為 USB Type-C 實施預先驗證、預先集成的 IP 子系統來進一步簡化他們的工作。

理想的子系統應包含關鍵組件，例如用于 USB 和其他可用規范的控制器、多協議 PHY，以及與外部供電堆棧接口的方法（圖 2）。子系統方法可以節省時間和精力，并比單個組件提供更好的性能和更低的功耗。這還允許設計人員配置端口、插槽以及其他主機和設備功能的數量。

圖 2： USB Type-C/DisplayPort 子系統。

USB的未來

USB Type-C 很可能成為電子設備的主要連接器規范。由于這些類型的設備對成本和時間很敏感，在設計中實施 USB Type-C IP 子系統有助于更快地將產品推向市場，從而更好地滿足預期的性能和功率目標。

審核編輯：郭婷